DE2509747C3 - Ventilsitzmaterial - Google Patents
VentilsitzmaterialInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Ventilsitzmaterial aus einer gesinterten Eisenlegierung für eine Verbrennungskraftmaschine.
Mit kleiner werdender Bauweise von Verbrennungskraftmaschinen bei steigender Leistung und immer
mehr verschiedenen Kraftstoflarten sind in der letzten
Zeit die an das Ventilsitzmaterial gestellten Anforderungen ständig gestiegen. An ein solches Material
werden derzeit die folgenden vier wichtigsten Anforderungen
gestellt:
1. Hohe Schlagfestigkeit auch bei hohen Temperaturen zum Auffangen des Ventilaufschlages,
2. hohe Verschleißfestigkeit bei hohen Temperaturen, wobei diese Eigenschaft insbesondere
für die Ventilsitze auf der Auslaßseite gefordert wird,
3. hervorragende Warmfestigkeit und
4. Billigkeit, insbesondere im Hinblick auf die Massenproduktion.
Bis zum heutigen Tag werden als Ventilsitzmaterial vor allem aus Kostengründen einfaches Gußeisen,
niedrig legiertes Gußeisen, Chromlegierungen und rostfreie Gußstähle verwendet. Diese Werkstoffe sind
jedoch als Ventilsitzmaterial für Verbrennungskraftmaschinen ungeeignet, die mit bleifreiem Benzin oder
flüssigem Propan betrieben werden. Der Ventilsitz auf der Auslaßseite ist während des Betriebes der
Verbrennungskraftmaschine stets einem ungewöhnlich heißen Abgas ausgesetzt Bei diesen hohen Temperaturen
müssen das Aufschlagen der Ventile und eine Schleifwirkung durch unregelmäßige Drehungen der
Ventile auf und in den Sitzen verschleißfrei aufgenommen werden. Beim Betrieb der Verbrennungskraftmaschine
mit bleihaltigem Kraftstoff tritt dieses Problem in weit geringerem Ausmaß auf. Das im Kraftstoff
enthaltene Blei wird bei der Verbrennung des Kraftstoffs in Bleioxid und Bleisulfat überfuhrt
Gleichzeitig werden der Schwefel, der Phosphor, das Calcium und das Natrium, die vor allem im
Schmieröl, aber auch im Kraftstoff enthalten sind, im wesenüichen in Calciumoxid, Natriumoxid, Phosphoroxid
und Calciumsulfat überführt All diese im Abgas enthaltenen Verbrennungsprodukte neigen dazu,
sich auf dem Ventilsitz niederzuschlagen und dort einen schmierigen Film zu bilden, der nicht nur als
Antioxidationsmittel, sondern auch als Schmiermittel wirkt und die Reibung zwischen den Berührungsflächen
des Ventils und des Ventilsitzes vermindert Die Kondensationsprodukte, die diesen Film auf Jem
Ventilsitz in bleihaltigen Benzinen bilden, werden
is jedoch in den bleifreien Kraftstoffen nicht in ausreichendem
Maße gebildet Das Ventil und der Ventilsitz werden dadurch bei hohen Temperaturen in direkte
Berührung miteinander gebracht, was zu einem überdurchschnittlich raschen Verschleiß des Ventilsitzes,
mitunter des Ventils selbst, führt Für den Verschleiß
sind vor allem Adhäsionskräfte verantwortlich. Ein solcherart starker und rascher Verschleiß verhindert
jedoch das Einstellen eines sinnvollen Stößelspiels, was wiederum einen vernünftigen langfristigen Betrieb
der Verbrennungskraftmaschine praktisch blockiert Der Frage eines geeigneten Materials kommt somit
große Bedeutung zu.
Die DE-OS 2137 761 beschreibt hochlegierte Stahlpulver
zum Herstellen von Stahlsinterlegierungen hoher Rotgluthärte zur Verwendung als Schnell- und
Werkzeugstähle. Diese einen hohen Kohlenstoffgehalt aufweisende Legierungen enthalten im Stahlgefüge
eingebettete feine und gleichmäßig verteilte Carbidteilchen, die dem Material eine hohe mechanische
Festigkeit verteihen. Die Pulver bestehen zu mindestens 10 Gew.-% aus einem carbidbildenden Zusatz,
0-30 Gew.-% Kobalt, 0-10 Gew.-% Aluminium, 0,6-5
Gew.-% Kohlenstoff und restlich aus Eisen und Verunreinigungen, Sauerstoff eingeschlossen, wobei der
Gesamtgehalt an Legierungselementen 60 Gew.-% nicht übersteigt Der carbidbildende Zusatz setzt sich
zusammen aus den carbidbildenden Elementen Chrom mit 0-30 Gew.-% Molybdän mit 0-20 Gew.-% Wolfram
mit 0-20 Gew.-%, Vanadium mit 0-20 Gew.-%, Titan mit 0-10 Gew.-%, Tantal mit 0-10 Gew.-%, Niob
mit 0-10 Gew.-%, Zirkon mit 0-10 Gew.-% und Hafnium mit 0-10 Gew.-%. Die Verwendung derartiger
harter Legierungen als Ventilsitzmaterial für eine Verbrennungskraftmaschine
vermag jedoch noch nicht
so die in Abwesenheit einer Schmierschicht bestehenden Verschleißursachen zu beseitigen, denen die
zwischen dem Ventil und dem Ventilsitz bei hoher Temperatur und mechanischer Beanspruchung auftretende
Adhäsionskräfte zugrunde liegen.
Die DE-OS 23 11091 sieht bei hohen Temperaturen
abriebfeste Sinterlegierungen zur Herstellung von Ventilsitzringen für Verbrennungsmotoren vor, die insbesondere
zur Verwendung mit bleizusatzfreien Treibstoffen geeignet sind. Diese enthalten 3-20 Gew.-%
Molybdän, 0,5-1,5 Gew.-% Kohlenstoff, 3-25 Gew.-% Kobalt, 1-15 Gew.-% Blei und als Rest Eisen.
Während das Molybdän in der Eisenmatrix in Form bestimmter Phasen dispergiert ist, die auch bei hoher
Temperatur besonders harte Teilchen bilden und den
fe5 Materialien eine hohe Abriebfestigkeit verleihen, führt
die gleichzeitige Dispersion des Bleis in der Eisenmatrix bei hoher Temperatur zur Bildung von Bleioxid
auf der Materialoberfläche und damit zu einer er-
wünschten Schmierwirkung. Der Bleigehalt erhöht auch die Begrbeitbarkeit des Materials. Das im Eisen
ebenfalls in fester Lösung vorhandene Kobalt verhindert das Wachstum von Ferritkristallkörnern und
somit einen Härteabfäll bei hohen Temperaturen und verbessert die mechanischen Eigenschaften der Legierungen.
Die Sinterlegierungen können ferner 1-15 Gew.-% Nickel, 3-25 Gew.-% Chrom oder 2-30
Gew.-% Nickel und Chrom enthalten. Bei Verwendung von Ventilsitzen aus derartigen Materialien dürften sich
eine Verringerung der Adhäsionskräfte zwischen Ventilsitz und Ventil und eine Reduzierung des Verschleißes
erzielen lassen.
Die im Interesse des Umweltschutzes durchgeführte Verringerung der den Motorentreibstoffen zugesetzte
Menge an bleihaltigen Antiklopfmitteln hat nicht nur den Ausfall einer Schmiermittelquelle für die Ventile,
sondern auch das Auftreten des Klopfens der Motoren zur Folge. Gleichzeitig verleitet die neue Notwendigkeit
einer Treibstoffeinsparung zum Bau von hochverdichteten Motoren, deren Neigung zum Klopfen
jedoch ausgeprägter ist als diejenige von Motoren mittlerer Verdichtung. Dieser Faktor begünstigt als
Gegenmaßnahme die zukünftige Entwicklung von Motoren mit hoher Drehzahl. Bei großen Verdichtungsverhältnissen
und Drehzahlen müssen folglich auch die an die Verschleißfestigkeit des Ventilsitzmaterials zu
stellenden Anforderungen noch weiter erhöht werden.
Aufgabe der Erfindung ist es demgemäß, ein Ventilsitzmaterial
für Verbrennungsmotoren vorzusehen, das gegenüber den bekannten Materialien eine noch gesteigerte
Verschleißfestigkeit aufweist und das, weil es zur Herstellung von Massenartikeln vorgesehen ist,
in Bezug auf Material- und Herstellungskosten vergleichsweise wirtschaftlich sein soll.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Zusammensetzung
Molybdän | 3-15 Gew.-% |
Cobalt | 2-12 Gew.-% |
Kohlenstoff | 0,1-2 Gew.-% |
Blei | 0-15Gew.-% |
Glas | 0,5-8 Gew.-% |
Rest Eisen und übliche Verunreinigungen sowie Spurenelemente.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung enthält das Sintermaterial vorzugsweise 2-15 Gew.-% Blei.
Bevorzugt wird ein Glas mit einem relativ niedrigen Erweichungspunkt
Das Ventilsitzmaterial wird vorzugsweise vor allem für Kolbenkraftmaschinen verwendet.
Zur Herstellung der Ventilsitze werden die Komponenten des pulverformigen Materials in den gewünschten
Mengen gut miteinander vermischt, das Gemisch durch Pressen ausgeformt und der Preßformkörper
gesintert
Die erfindungsgemäßen gesinterten Eisenlegierungen weisen strukturell folgende. Merkmale auf:
1. Die Grundmatrix des Materials ist eine gesinterte Eisenlegierung, die Cobalt Molybdän und Kohlenstoff
als Legierungsbestandteile enthält.
2. In dieser Matrix ist eine Phase molybdänhaltiger harter Verbindungen, vor allem FeMo, Fe3Mo2,
FeMo3 und (FeMo)6C dispergiert.
3. In dieser Legierung sind ein niedrig schmelzendes Glas und vorzugsweise Blei enthalten. Diese
beiden Komponenten können während des Betriebes der Verbrennungskraftmaschine schmelzen
oder erweichen und auf der Oberfläche des Ventilsitzes einen schmierenden Überzug
bilden.
Im erfindungsgemäßen Ventilsitzmaterial befindet sich das Molybdän zusammen mit den anderen Legierungsbestandteilen
im Zustand fester Lösung im
ίο Eisen. Dadurch wird die Festigkeit der Matrix erhöht
und ihre Wärmebeständigkeit verbessert Das Molybdän bildet weiterhin eine Phase außerordentlich harter
Verbindungen, die neben dem Molybdän Eisen und Kohlenstoff enthalten. Diese Phase weist eine Mikro-Vickershärte
(mHV) von 800-1500 auf und gewährleistet damit eine hohe Abriebbeständigkeit und Verschleißfestigkeit
Die Konzentration des Molybdäns ist auf einen Bereich von 3-15 Gew.-% festgelegt
Bei einem Molybdängehalt von weniger als 3 Gew.-% ist der mengenmäßige Anteil der im Gefüge gebildeten
harten Phase zu gering, um die Verschleißfestigkeit ausreichend zu erhöhen. Bei einem Molybdängehalt
von über 15 Gew.-% wird die Verarbeitbarkeit verschlechtert und das Material spröde.
Zum Teil tritt auch das Cobalt in die harte Molybdänphase ein, so daß diese neben Molybdän, Eisen
und Kohlenstoff durchaus auch Cobalt enthalten kann. Der Hauptanteil des Cobalts bildet jedoch in der
Eisenmatrix feste Lösungen, die die Wärmebeständigkeit und die Warmfestigkeit der Matrix verbessern.
Die Cobaltkonzentratiion ist auf einen Bereich von 2-12 Gew.-% festgelegt. Bei einem Cobaltanteil von
weniger als 2 Gew.-% werden die Hitzebeständigkeit und Warmfestigkeit der Matrix kaum verbessert Bei
einem Cobaltanteil von über 12 Gew.-% wird der erzielbare Grad dieser Eigenschaftsverbesserungen
nicht mehr erhöht.
Der Kohlenstoff reagiert unter Carbidbildung sowohl mit Molybdän als auch mit dem Eisen. Dadurch
wird die Festigkeit der Matrix verbessert. Die Kohlenstoffkonzentration
im Werkstoff beträgt 0,1-2 Gew.-%. Bei einer Konzentration von weniger als 0,1 Gew.-%
wird die Festigkeit des Materials kaum beeinflußt, während sich bei einem Kohlenstoffanteil von über
2 Gew.-% ein sprödes Material ergibt.
Die Bleizugabe dient in bekannter Weise zur Bildung eines Schmiermittelfilms auf der Oberfläche des Ventilsitzes
und der Unterdrückung der Metalladhäsion beim Aufsitzen des Ventils auf dem Ventilsitz während
so des Betriebes der Verbrennungskraftmaschine. Das Blei wird dem Material vorzugsweise in einer Menge
von 2-15 Gew.-% zugesetzt. Bei einer Bleizugabe von weniger als 2 Gew.-% tritt die angestrebte Wirkung
kaum ein. Bei einem Bleigehalt von über 15 Gew.-% dagegen wird die Festigkeit der Legierung vermindert.
Glas vermag auf der Ventilsitzoberfläche beim Betrieb der Verbrennungskraftmaschine einen schmierenden
Film zu bilden, der ebenso wie ein Bleifiim eine Adhäsion zwischen den Metallen des Ventils
und des Ventilsitzes während des Betriebes des Motors verhindert. Außerdem bildet das Glas bei Temperaturen
von mindestens etwa 400°C einen ungewöhnlich festen Film, wodurch auch die Verschleißfestigkeit
des Ventilsitzmaterials erhöht wird. Als niedrig schmelzende Gläser werden vorzugsweise solche eingesetzt,
die B2O3, P2O5, ZnO und PbO als Hauptkomponenten
ausschließlich oder in Verbindung mit anderen Komponenten enthalten. Vorzugsweise werden Gläser ver-
wendet, die unterhalb von 500°C schmelzen. Bevorzugte
Beispiele solcher Gläser sind ein Glas, das zu 30 Gew.-% aus B2O3, 30% aus P2O5 und 30% PbO,
Rest übliche Glaskomponenten zur Einstellung des Erweichungspunktes und ein Glas, das zu 50% aus
PbO, 30% aus ZnO und 20% aus B2O3 besteht Die
Gläser werden dem Material in iriner Menge von 0,5-8% zugesetzt Bei einem Glasgehalt von weniger
als 0,5% kann praktisch keine Schmierwirkung erzielt werden. Bei einem Glasgehalt von über 8% wiru die
Festigkeit-des Materials beeinträchtigt
Gegenüber der aus der DE-OS 23 11091 bekannten
Sinterlegierung weist das erfindungsgeinäße Material
somit den Vorteil auf, daß zur Erzielung von selbstschmierenden Eigenschaften das Blei weitgehend oder
auch völlig durch den Zusatz von Glas ersetzt werden kann. Der Maximalgehalt an Kobalt ist auch auf etwa
die Hälfte reduziert
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung enthält das neue Ventilsitzmaterial vorzugsweise zusätzlich
0,5-10 Gew.-% Wolfram. Das Wolfram weist eine dem Molybdän ähnliche Wirkung auf. Es bildet
auch im Eisengitter eine feste Lösung, wodurch die mechanische Festigkeit und die Warmfestigkeit der
Matrix verbessert werden. Bei einer Zugabe von weniger als 0,5% Wolfram werden kaum Wirkungen
des Wolframzusatzes beobachtet, während bei einer Zugabe von über 10% Wolfram die Bearbeitbarkeit
des Materials spürbar verschlechtert wird.
Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung enthält das Ventilsitzmaterial vorzugsweise 0,5-10% Wolfram
und 0,5-8% Nickel. Der Nickelzusatz dient der Festigung des Ferrits und der Verbesserung der Zähigkeit
der Matrix. Bei einer Zugabe von weniger als 04% Nickel wird die gewünschte Wirkung nicht in
ausreichendem Maß erzielt, während bei einem Zusatz von über 8% Nickel die Carbidausscheidung zu stark
unterdrückt wird.
Versuchsbericht
Aus den nachstehend angegebenen Beispielen und Vergleichsbeispielen gehen vorteilhafte Eigenschaften
der erfindungsgemäßen Sinterlegierungen hervor.
(a) Es wurden zunächst verschiedene Sinterlegierungen hergestellt und deren Härten gemessen. Als Ausgangssubstanzen
dienten ein reduziertes Eisenpulver mit einer Korngröße kleiner als 147 μΐη, ein Ferromolybdänpulver
der gewichtsmäßigen Zusammensetzung 50% Mo, 0,06% C, 1,26% Si, Rest Eisen und
nut einer Korngröße kleiner als 74 μπι, Cobaltpulver
mit einer Korngröße kleiner als 44 μπι, Bleipulver mit einer Korngröße kleiner als 57 μπι, Wolframpulver
mit einer Korngröße kleiner als 44 μπι, Nickelcarbonylpulver
mit einer Korngröße kleiner als 44 μπι und ein niedrigschmelzendes Glaspulver, das gewichtsmäßig
30% B2O3, 30% P2O5 und 30% PbO enthält Die
Substanzen wurden in bestimmten Verhältnissen homogen vermischt, in einer Verdichtung von 90% ausgeformt
und anschließend 30 Minuten lang in reduzierender Atmosphäre bei 1130"C gesintert Die Zusammensetzungen
(in Gew.-%) und die jeweils erzielten Härten sind in der Tabelle 1 angegeben.
Tabelle | 1 | Vergleich | Zusammensetzung (Rest Eisen) | 8% Co, | 1%C | 1%C |
Härte nach
Rockwell B |
Probe
Nr. |
Vergleich | 10% Mo, | 8% Co, | 1%C | 1%C | 74 | |
1 | Erfindungsgemäß | 10% Mo, 4% Pb |
8% Co, | r/oC | 1%C | ||
2 | Erfindungsgemäß | 10 Mo, 2% Glas |
8 % Co, 2% Glas |
1%C | 1%C | 72 | |
3 | Vergleich | 10% Mo, 4% Pb, |
4% Co, | 5% W, | 3% Ni | 73 | |
4 | Vergleich | 10% Mo, | 11% Co, | 5% W, | 3% Ni, | 77 | |
5 | Erfindungsgemäß | 10% Mo, | 8% Co, | 5% W, | 82 | ||
6 | Erfindungsgemäß | 10% Mo, 2% Glas |
8% Co, 2% Glas |
5% W, | 75 | ||
7 | Erfindungsgemäß | 10% Mo, 4% Pb, |
8% Co, 2% Glas |
5% W, | 76 | ||
8 | Erfindungsgemäß | 10% Mo, 1%C, |
8% Co, 4% Pb, |
5% W, 2% Glas |
79 | ||
9 | 10% Mo, 1%C, |
79 | |||||
10 | |||||||
Die Zusammensetzungen der Vergleichsproben 1 und 2 entsprechen denen der Legierungen der DE-OS
2137 761 bzw. der DE-OS 2311091. Beim Vergleich
dieser Proben miteinander geht hervor, daß der Zusatz von 4% Blei eine kleine Verringerung der Härte zur
Folge hat. Der Vergleich mit der Probe 3 verdeutlicht, daß die Wirkung eines Zusatzes von 2% Glas
anstelle von 4% Blei eine ähnliche ist. Wie die Probe 4 zeigt, führt der gleichzeitige Zusatz der angegebenen
Mengen von Blei und Glas zu keiner weiteren Verringerung, sondern eher zu einer geringfügigen Erhöhung der Härte.
Die Vergleichsproben 5 und 6 entsprechen zusammensetzungsmäßig den Legierungen der DE-OS
h5 21 37 761. Die erfindungsgemälie Probe 7 weist demgegenüber
einen etwa mittleren Gehalt an Kobalt auf und zeigt, daß der Zusatz von 2 % Glas den Härtewert
um einige Prozent verringert. An der erfindungsge-
mäßen Probe 8 ist wieder ersichtlich, daß die gleichzeitige Verwendung von 4% Blei und 2% Glas zu einer
geringfügigen Erhöhung der Härte fuhrt.
Die erfindungsgemäßen Proben 9 und 10 bestätigen, daß die Verwendung von 4% Blei zusätzlich zu 2% Glas
keine nachteilige Auswirkung auf die Härte hat.
(b) Aus dem Material der Proben 1-12 wurden Prüflinge hergestellt, die der folgenden Dauerstandsprüfung
unterzogen wurden:
Als Prüfgerät diente ein wassergekühlter 360 cm3-Zweizylindermotor
mit 2 Vergasern, der bei 7500 Um drehungen pro Minute bei Vollgas und voller Las
betrieben wurde. Zu Versuchsbeginn wurde das Stößel spiel auf 0,1 mm eingestellt. Gemessen wurde die Zei
bis das Spiel einer der beiden Zylinder Null betrug Die Standzeit des Ventilsitzringes (Prüfling) ist durcl
diese gemessene Zeitspanne definiert. Als Kraftstof diente ein Benzin der Oktanzahl 87 mit einem Blei
gehalt von 0,53 mg pro Liter. Es ergaben sich di< in der Tabelle 2 gezeigten Daten.
Tabelle 2 | Vergleich | StandEeit (Std.) | Zweiter | 92 |
Probe | Vergleich | Versuch Versuch | 118 | |
Nr. | Erfindungsgemäß | Erster | 86 | 119 |
Erfindungsgemäß | 130 | 178 | ||
Vergleich | 113 | 101 | ||
1 | Vergleich | 186 | 129 | |
2 | Erfindungsgemäß | 113 | 131 | |
3 | Erfindungsgemäß | 120 | 205 | |
4 | Erfindungsgemäß | 147 | 153 | |
5 | Erfindungsgemäß | 192 | 211 | |
6 | 148 | |||
7 | 206 | |||
8 | ||||
9 | ||||
10 | ||||
Aus der Tabelle 2 geht hervor, daß die Eigenschaften der erfindungsgemäßen Sinterlegierungen diejenigen
der bekannten übertreffen. Wie die Proben 4, 8 und
35 10 zeigen, ergeben sich besonders zweckentsprechendi
Ergebnisse, wenn die Legierungen Blei sowohl al Glas enthalten.
Claims (5)
- Patentansprüche:i. Ventilsitzmaterial aus einer gesinterten Eisenlegierung für eine Verbrennungskraftmaschine, gekennzeichnet durch die Zusammensetzung:
Molybdän 3-15 Gew.-% Cobalt 2-12 Gew.-% Kohlenstoff 0,1-2 Gew.-% Blei 0-15 Gew.-0/. Glas 0,5-8 Gew.-% Rest Eisen und übliche Verunreinigungen sowie Spurenelemente. - 2. Ventilsitzmaterial nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Bleigehalt von 2-15 Gew.-%.
- 3. Ventilsitzmaterial nach Anspruch 1' oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Glas einen Erweichungspunkt von unter 5000C aufweist
- 4. Ventilsitzmaterial nach einem der Ansprüche 1 -3, gekennzeichnet durch einen Zusatz von 0,5 bis 10 Gew.-% Wolfram.
- 5. Ventilsitzmaterial nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch einen Zusatz von 0,5-8 Gew.-% Nickel.
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